[发明专利]一种供水管网阀门布局设计和优化方法

说明书

本发明提供一种供水管网阀门布局设计和优化方法，所述方法包括以下步骤：S1、将管网中的阀门以及管点抽象成点，将管段抽象成边，构建NE图；S2、利用NE图识别关断单元；S3、构建SV图；S4、利用SV图计算加权欠缺供应量；S5、基于NSGA‑II求解最优的阀门布局方案集合。本发明的有益效果：在一定的经济成本下，利用NSGA‑II算法优化阀门布局，将管网发生事故后无法供应的用水量降到最低，从而提高管网可靠性；只对SV图进行局部修改，便可实现SV图的重构，在计算加权欠缺供应量时利用图论中的割点，有效降低算法的时间复杂度；可以应用于新管网阀门布局的设计和现有管网的改造过程中，有利于控制工程成本，并且科学合理的布设阀门。

技术领域

本发明涉及城市市政地下供水管网优化领域，尤其涉及一种供水管网阀门布局设计和优化方法。

背景技术

当城市供水管网发生爆管、漏损等事故时，将会造成极大的社会影响和经济财产损失，同时事故会造成路面积水、冲刷路基，间接影响交通甚至造成其他一系列安全事故，对市民生活和城市安全产生非常严重的影响。随着科学研究的发展，供水管网现代化管理技术在不断提高，采取管网阀门布局优化手段将管网发生事故的可能性和危害性降到最低，有重大社会意义和经济价值。

国内对这方面的研究还未成熟，大多是利用遗传算法和粒子群算法等单目标优化算法来设计和优化阀门布局，优化目标单一，与实际管网改造工程中需要考虑众多因素不符。国外对供水管网阀门布局优化的研究较早，Glusitolis和Enrico等人分别在2010年前后提出了阀门布局的优化方法，但是该方法面向的是阀门布局设计，并未考虑管网中已存在阀门的情况，无法应用于管网改造工程。且现有的阀门布局方法大多是利用矩阵变换来识别关断单元，算法的时间复杂度和空间复杂度太高。对于大规模的管网，结点数通常超过10万，甚至达到百万级别，利用这类方法实现阀门布局优化的效率较差。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种考虑管网可靠性和阀门成本的布局设计和优化方法，可以得到不同成本下的最优阀门布局优化方案，满足实际工程需要。

本发明提供一种供水管网阀门布局设计和优化方法，包括以下步骤：

S1、将管网中的阀门以及管点抽象成点，将管段抽象成边，构建结点-连边图(NE图)；

S2、在NE图中利用广度优先搜索识别关断单元(Segment)，所述关断单元为阀门关闭后形成的最小管网区域，所述关断单元记录了其包含的边集合和点集合；

S3、新建一个容器，用于记录已计算的布局方案和对应的SV图，若容器未满，将步骤S2中识别的关断单元抽象为图的顶点，将连接两个关断单元的阀门抽象为边，新建Segment-Valve(SV图)，若容器已满，则通过新增阀门和移除阀门对已构建完成的SV图进行局部修改，实现SV图的重构；

进一步地，所述SV图的顶点记录了其表示的关断单元的编号、该关断单元内的用户用水量以及管段长度，所述SV图的边记录了阀门编号信息。

进一步地，基于已经构建完成的SV图，通过新增阀门和移除阀门来生成新的SV图，具体过程如下：